Elektromobilität voranbringen

Ob weiß-blaues Propeller-Logo, verschlungene Ringe, Stern oder markante Versalien; ob Concept Car oder Serienfertigung; klein oder groß – Elektromotoren gehören schon längst nicht mehr zur Kür der Automobilkonzerne, sondern zur Pflicht.

Schließlich leben wir im 21. Jahrhundert, einem Zeitalter das in Sachen Mobilität von der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen zu Diesel- und Benzinmotor geprägt ist. Nicht wenige der Modelle, die heute auf den Straßen unterwegs sind, dürften die sprichwörtliche (Serien-)Reifeprüfung in Bayern abgelegt haben. Am Starnberger See ist die Firma Compact Dynamics ansässig, deren Herz – wie schon der Inhalt der Stellenanzeigen deutlich macht – elektrisch schlägt.

Die Manufaktur entwickelt und forscht mit 75 Mitarbeitern an Hochleistungselektroantrieben und Leistungselektronik für die Zukunft. Der kaum 20 qm² große Prüfstand in dem Hightech auf ihr Potenzial getestet wird, präsentiert sich mit großen Fensterfronten, die den Blick ins Innere freigeben. Dominiert wird der Raum von einem zementierten Berstprüfstand – unverrückbares Relikt aus Zeiten, in denen Schwungräder geprüft werden mussten.

Auf einem Plateau an der Wand ist der Prüfling eines Kunden installiert. Bei Compact Dynamics entwickelt und testet man ausnahmslos projektbasiert für E-Mobilität, Industrie und Luftfahrt oder Motorsport. Ob es ein Prototyp bis zur Serienreife schafft, erfahren die Experten nicht immer. Ihre Arbeit ist dann abgeschlossen, wenn alle Messwerte des Prüflings validiert sind und an den Kunden übergeben werden.

Mitarbeiter von Compact Dynamics arbeiten an der Entwicklung von Prototypen und Hochleistungs-Elektroantrieben

Synchronisierung ade: dank 7 Phasen

Bevor es soweit ist, wird jeder Antrieb – angeschlossen an eine Lastmaschine – und seine Leistungselektronik in aufwendigen Verfahren auf Herz und Nieren geprüft. Über die Jahre wuchs bei den Ingenieuren der Bedarf, mehr als 3-phasige Messungen durchzuführen. Hatte sich das Team aus F&E bei Compact Dynamics bis dato mit einer Kombination aus verschiedenen synchronisierten Messgeräten beholfen, kommt inzwischen ein Leistungsmessgerät für 7 Phasen zum Einsatz. Der WT5000 von Yokogawa ermöglicht in puncto Leistungsmesstechnik einen entscheidenden Schritt, denn er kombiniert als Präzisions-Leistungsanalysator die weltbeste Genauigkeit mit Langzeitstabilität, Störfestigkeit und Flexibilität – auf sieben Leistungskanälen. Überaus glücklich sind die Mitarbeiter am Prüfstand bei Compact Dynamics auch, weil sich mit dem WT5000 künftig auch Messwerte an Achsen erfassen lassen. Wenn es Stellschrauben beim Elektroantrieb gibt, die für weitere Verbesserungen in der Zukunft gedreht werden können, dann sind es Leistungselektronik, Antrieb und Achsen.

Die Reichweite eines Fahrzeugs orientiert sich an der durch die Batterie bereitgestellten Energiemenge sowie der Effizienz von Motor und Leistungselektronik. Gleichzeitig bildet eine große Batterie die Grundlage, um die aus Bremsenergie gewonnene Energie zu speichern. Die Größe einer Batterie beeinflusst ihrerseits aber das Gewicht eines Fahrzeugs – entsprechend wird wieder mehr Leistung benötigt, um es zu bewegen. Die Leistungselektronik als zentrales Element eines Elektroantriebes und Schnittstelle zur Batterie verspricht trotz der bereits erreichten hohen technischen Standards weiterhin Potenzial für Verbesserungen. Und hier kommt der WT5000 ins Spiel. Er ermöglicht den Ingenieuren jetzt in puncto Effizienzoptimierung, durch die weltweit höchste AC- und DC-Genauigkeit, auch die letzte Nachkommastelle exakt zu erfassen.

Steht immer im Mittelpunkt: der Prüfling

Damit das künftig ebenso routiniert ablaufen kann, steht in der Einführungsphase des WT5000 ausnahmsweise einmal nicht der Prüfling im Mittelpunkt, sondern der WT5000. Während der Prüfling mit einer Lastmaschine verbunden wird, schließen die Ingenieure den im Rack montierten WT5000 am Prüfling an. Anschließend werden grundlegende Einstellungen am Gerät vorgenommen und die aufzunehmenden Messparameter in der WTViewerE Software konfiguriert, schon kann die erste Messung gestartet werden. Nach den ersten Nutzungstagen unterstützt Yokogawa auf Wunsch persönlich, um aufgetretene Fragen zu klären und gleichzeitig die Nutzung von „Hidden Features" hervorzuheben.

Im Labor neben dem Prüfstand sitzen die Ingenieure konzentriert vor mehreren Displays und diskutieren neue Funktionalitäten und die verschiedenen Optionen, die Messwerte abzugreifen, anzuzeigen und am Display zu kombinieren. So besitzt der WT5000 eine umfangreiche Delta-Funktion, die beispielsweise eine gegenseitige Umrechnung von Stern- und Dreieckkonfigurationen ermöglicht. Konzentration aller Beteiligten erfordert auch die detaillierte Erklärung, wie sich bei 3-phasigen Systemen, ohne Mittelpunktsleiter, Strang- und Leiterspannung gleichzeitig anzeigen lassen und darüber hinaus der Neutralleiterstrom mit dem WT5000 ermittelt werden kann.
 

Während auf der einen Seite des Labors noch diskutiert und mitgeschrieben wird, macht sich auf der anderen Seite der Softwareentwickler für die ersten Testläufe des Prüflings bereit. Auch er hat durch die Glasfront den direkten Blick auf den Prüfstand, konzentriert sich aber jetzt ganz auf seine drei Monitore und den Start der selbst entwickelten Programme. Ein großes Panel mit unterschiedlichen Tastern ist eine Art Schaltstelle für den Prüfstand. Das Hochfahren wird angekündigt und ist zugleich das Signal, dass sich alle vom Prüfling entfernen und hinter der Glasfront an ihren Monitoren Platz nehmen. Die leistungsstarke Klimaanlage hebt den Geräuschpegel deutlich – bald ist die Luft erfüllt mit einem Singsang aus Luft und den typischen Rotationsgeräuschen eines Elektromotors.

Harmonie im doppelten Sinne

Für die Ingenieure und Softwareentwickler ist das Alltag. Gemeinsam mit dem Yokogawa Team blickt man gespannt auf die Messwerte, die sich in roten, blauen und gelbe Kurven auf den Monitoren zeigen. Da wird erklärt und gezeigt, notiert und nachgefragt. Wären nicht die unterschiedlichen Logos auf den Hemden, wüsste man nicht, wer wohin gehört. Die Atmosphäre ist geprägt von Vertrautheit und dem gemeinsamen Ziel, für den Effizienzgewinn erstklassige Ergebnisse zu gewinnen.

Yokogawa setzt bei seinem WT5000 die so genannte „Digital Parallel Path Technologie" sein: Nach der Analog-Digital-Wandlung werden die Abtastwerte parallel sowohl für die breitbandige Messung als auch für die Harmonischen-Analyse weiterverarbeitet. Die Ingenieure von Compact Dynamics haben dadurch die Möglichkeit, voneinander unabhängige Filter zu verwenden. So kann jetzt beispielweise zwischen einem „Butterworth"- oder „Bessel"-Filter gewählt werden. Ein weiterer Benefit für Compact Dynamics: Grundfrequenzen bis zu 300 kHz und Oberschwingungen bis 1,5 MHz bei der Harmonischen-Analyse können jetzt mit spezifizierter Genauigkeit gemessen werden. Die Vielzahl an Parametern und nicht zuletzt die sieben Phasen machen es den Entwicklungsingenieuren in der Manufaktur für Elektroantriebe künftig leichter, sich noch detaillierter auf die Verbesserung von Antriebssträngen zu fokussieren.

Noch lange nicht ausgereizt: E-Antriebstechnologien

Nach Aussage des Leiters F&E Elektronik ist das Thema Antrieb noch lange nicht ausentwickelt. Der Fahrer eines Elektroautos wird all die Innovationen aus dem Labor in den seltensten Fällen wirklich spüren – ihn interessieren Reichweite und Beschleunigung. Dennoch hat der Bereich E-Mobilität ähnlich viel Potenzial für Individualität wie Benziner oder Diesel: Da kann eine Achse angetrieben werden oder zwei und auf Wunsch auch jedes einzelne Rad. Wer also denkt, dass die Marken der großen Automobilkonzerne sich in der elektrisch geprägten Zukunft nur mehr durch Interieur, Design oder Connectivity-Features voneinander unterscheiden, der irrt. Auch bei einem Elektroauto ist in Zukunft Typenvielfalt zu erwarten. Und nicht nur das, in puncto E-Mobilität werden gänzlich neue Konzepte auch für das autonome Fahren entstehen. Denn Elektroautos unterliegen konstruktiv ganz anderen Rahmenbedingungen.

Und während im Labor bei Compact Dynamics alle gebannt die Messwerte des Prüflings fixieren, wirft man eine Tür weiter die Frage in den Raum, ob es im Elektroauto der Zukunft überhaupt noch nötig sei, im Cockpit oder Fond zu sitzen. Über die Entwicklung der Elektromobilität können Forscher heute bestenfalls Prognosen abgeben. Dass Compact Dynamics bei der Gestaltung der mobilen Zukunft einen zentralen Stellenwert einnimmt, dürfte indes ziemlich sicher sein – auch dank des WT5000.

Compact Dynamics
Starnberg-Deutschland
www.compact-dynamics.de

Download Yokogawa Test & Messtechnik Magazin - Heft 52